Fysiker skapar världens förstagångskristall

Kristaller är extraordinära föremål, inte minst på grund av sin symmetri. Kristaller bildar återkommande mönster som är lika i vissa riktningar men inte alla riktningar. Det är något av en överraskning med tanke på att fysikens lagar, som styr deras bildning, är desamma i alla riktningar.

Att fysikens lagar är rumsligt symmetriska men att kristaller inte är det är ett fenomen som kallas symmetribrott. Det sker inte genom att tillföra energi till ett system, utan genom att ta bort det. Kristaller är faktiskt en manifestation av system i deras lägsta energitillstånd.

Men fysikens lagar är inte bara symmetriska i rummet utan också i tiden. Och det väcker den intressanta frågan om det är möjligt att bryta tidssymmetri på samma sätt. Med andra ord, är det möjligt att skapa tidskristaller?

Idag får vi svar tack vare Chris Monroes arbete vid University of Maryland i College Park och några kompisar, som har skapat en tidskristall i sitt laboratorium för första gången.

Den grundläggande processen för att göra tidskristaller är enkel. Tanken är att skapa ett kvantsystem, till exempel en grupp joner ordnade i en ring, och kyla dem tills de är i sitt lägsta energitillstånd. Under dessa omständigheter skulle fysikens lagar föreslå att ringen skulle vara helt stationär.

Men om tidssymmetri bröts, kan ringen variera periodiskt i tiden. Den skulle med andra ord rotera. Naturligtvis skulle det aldrig vara möjligt att utvinna energi ur denna rörelse - det skulle bryta mot bevarandet av energi. Men den tidsmässiga symmetribrytningen skulle manifestera sig i denna upprepande rörelse i tiden, precis som den rumsliga symmetribrytningen manifesterar sig som upprepande mönster i rummet.

Det är teorin, men i den verkliga världen är saker och ting inte lika enkla. Huvudproblemet är att kvantvärlden inte styrs av tidsberoende variabler, så tidssymmetri kan inte brytas på denna skala. Så under vanliga omständigheter skulle kylning av en ring av joner till deras lägsta energitillstånd lämna dem stationära.

Men det finns omständigheter där kvantsystem utvecklas över tiden. Munro och co har fokuserat på dessa: kvantsystem som inte är i jämvikt. Deras kvantsystem är en rad ytterbiumjoner med spinn som interagerar med varandra.

Den interaktionen leder till en speciell sorts beteende. En av de märkliga egenskaperna hos kvantpartiklar är att de vanligtvis inte finns på specifika platser. Istället är de utsmetade i rymden med chanserna att de dyker upp var som helst som styrs av sannolikhetslagarna.

Men under vissa omständigheter kan detta förändras. Till exempel kan en enstaka elektron inuti ett material störa sig själv på ett sätt som tvingar den att dyka upp på en enda plats. Detta är känt som Anderson-lokalisering, efter fysikern som förutspådde det på 1950-talet.

På senare tid har fysiker undersökt grupper av kvantpartiklar som interagerar med varandra på ett sätt som gör att de alla blir lokaliserade. Denna så kallade många kroppslokalisering är ett känsligt tillstånd som håller kvantpartiklarna i ett tillstånd utanför jämvikt. Med andra ord, det tvingar dem att lokaliseras. Och det är precis så den här kedjan av ytterbiumjoner beter sig.

En av de viktigaste egenskaperna hos dessa joner är deras magnetisering eller spinn, som kan vändas upp eller ner med en laser. Att vända snurrandet av en jon får nästa att vända, och så vidare. Dessa snurrinteraktioner svänger sedan i en hastighet som beror på hur regelbundet lasern vänder på det ursprungliga snurret. Med andra ord bestämmer drivfrekvensen svängningshastigheten.

Men när Monroe och co mätte detta hittade de en annan effekt. Dessa killar upptäckte att efter att ha tillåtit systemet att utvecklas inträffade interaktionerna i en takt som var två gånger den ursprungliga perioden. Eftersom det inte finns någon drivkraft med den perioden är den enda förklaringen att tidssymmetrin måste ha brutits och därmed tillåtit dessa längre perioder. Monroe och co hade med andra ord skapat en tidskristall.

Teamet fortsatte med att mäta några av egenskaperna hos dessa kristaller. De fann till exempel att ändring av körfrekvensen inte ändrade tidskristallens frekvens. Detta representerar 'styvheten' hos den diskreta tidskristallen, säger de.

Och de fann att andra störningar så småningom kunde förstöra tidskristallen. När störningarna är för stora 'smälter' kristallen, säger Monroe och co.

Det är intressant, om än esoteriskt, arbete. Det visar att tidskristallerna faktiskt kan existera, vilket förutspåddes 2012 av den nobelprisbelönade fysikern Frank Wilczek vid MIT och Al Shapere vid University of Kentucky.

När det gäller ansökningar kommer Monroe och co med ett par förslag. De säger till exempel att tidskristaller kan användas för kvantinformationsuppgifter, som att implementera ett robust kvantminne.

Men den exotiska karaktären hos många kroppslokaliseringar och det faktum att den fortfarande är dåligt förstådd kan innebära att andra fysiker kommer att vilja kolla upp karaktären av denna effekt noggrant innan de bekräftar att den verkligen visar existensen av tidskristaller.

Så det finns mer spännande arbete att göra.

Ref: http://arxiv.org/abs/1609.08684 : Observation av en diskret tidskristall

Dölj